《Trees, Forests and People》：Spatiotemporal dynamics and climatic-anthropogenic drivers of kernel NDVI across China’s subtropical forests
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本研究针对中国亚热带森林生态系统对气候变化和人类活动响应的复杂性，系统分析了2001-2017年间kernel归一化植被指数(kNDVI)的时空动态及其与总初级生产力(GPP)的关系。通过整合遥感数据、气候因子和人口密度等多源数据，采用偏相关分析和结构方程模型(SEM)揭示了气候变暖和降水增加总体上促进植被绿度，而人口密度成为最强负向驱动因子。研究为亚热带森林保护和管理提供了科学依据，对全球变化背景下森林生态系统可持续性具有重要意义。
在全球气候变化和人类活动加剧的背景下，森林生态系统作为地球生物圈的重要组成部分，其动态变化深刻影响着全球碳循环和气候调节功能。其中，亚热带森林以其丰富的生物多样性和复杂的生态系统结构，在区域乃至全球生态系统中扮演着关键角色。然而，这些生态系统正面临着气候变化和人类活动的双重压力，其植被动态表现出高度敏感性和复杂性。理解亚热带森林植被绿度的时空动态及其驱动机制，对于预测未来气候变化情景下森林的响应、制定有效的保护策略具有重要意义。
长期以来，科学界普遍使用归一化植被指数(NDVI)作为评估植被绿度、生产力和覆盖度的常用指标。但在异质性景观如亚热带森林中，NDVI在探测植被绿度细微变化方面存在明显局限性。近年来发展的kernel NDVI(kNDVI)通过应用核函数对NDVI进行非线性变换，能够更准确地捕捉植被光合作用效率，对复杂结构生态系统中的细微变化具有更高的敏感性。
在这项发表于《Trees, Forests and People》的研究中，研究人员聚焦中国亚热带森林，分析了2001至2017年间kNDVI的时空格局，深入探究了植被动态与碳吸收的关系，以及在不同空间尺度上对气候、人为和地理因素的响应。研究区域覆盖中国亚热带地区，大致位于北纬21°至34°之间，包括秦岭淮河以南至雷州半岛，西至横断山脉的广阔区域。该地区受东亚季风影响，呈现明显的季节变化，年平均温度16-20°C，年降水量800-1600毫米，为植被生长提供了理想条件。
研究团队发现，在2001-2017年间，中国亚热带森林91.96%的区域kNDVI呈现显著增加趋势，特别是在以天然林为主的中部和南部地区。植被绿度从2001年的0.398上升至2016年的峰值0.477，年平均增长0.0045，表明亚热带森林整体呈现"变绿"趋势。不同森林类型中，落叶阔叶林、木本稀树草原和稀树草原的增长最为显著，而常绿阔叶林的增加趋势未达到统计显著性，表明不同树种对气候变化的响应存在差异。
研究还揭示了kNDVI与GPP之间的密切关系，73.99%的森林区域呈现显著正相关，验证了植被绿度在亚热带地区生态系统光合活动中的重要指示作用。这种正相关在常绿阔叶林(79.37%)、木本稀树草原(77.26%)和落叶阔叶林(76.36%)中尤为明显，表明这些生态系统在植被绿度增加时能够有效提升碳吸收能力。
为了深入理解驱动机制，研究人员采用了几项关键技术方法：基于MOD13C1 Version 6.1产品计算kNDVI，利用ERA5-Land再分析数据获取气候变量，采用EC-LUE GPP数据集评估碳吸收，应用偏相关分析和结构方程模型量化各因素影响，并通过空间块自助法考虑空间自相关。样本队列涵盖整个中国亚热带区域的森林像元，分类包括常绿针叶林、常绿阔叶林、落叶阔叶林、混交林、木本稀树草原和稀树草原。
kNDVI的时空格局分析显示，中国亚热带森林kNDVI多年均值在0.4-0.5之间，均值约0.43。西北部和东南部地区均值较高，而东北部和西南部较低。四川盆地北缘和东南部天然林区的kNDVI值最高(0.6-0.7)，而云南、豫南-鄂北过渡带及皖浙苏交界区值较低(<0.3)。kNDVI的年际变异性总体较低(均值约0.08)，东南沿海地区最稳定，而四川北部和豫南-鄂北-皖西地区变异性最高。
kNDVI与GPP的关系呈现明显的空间异质性。大部分森林区域(73.99%)呈现显著正相关，平均相关系数0.727，中部和东部地区相关性最高。负相关区域仅占0.73%，主要分布在西部的常绿针叶林区，可能反映了当地环境胁迫下植被绿度与碳吸收的脱钩现象。
气候和人为因素的驱动机制通过偏相关分析和结构方程模型得以揭示。温度和降水总体上对kNDVI有正向影响，正相关面积分别占76.56%和61.44%。而地表太阳辐射、水分平衡和人口密度则主要呈现负相关，负相关面积分别占72.93%、62.63%和63.68%。
结构方程模型进一步阐明了各因素间的复杂关系。人口密度成为最强的负向驱动因子，在所有森林类型中均表现出显著负效应(-0.565至-0.351)。气候因子的影响则呈现类型特异性：降水是主要正向气候预测因子，尤其在常绿针叶林(0.337)、常绿阔叶林(0.208)和稀树草原(0.237)中作用显著；温度在多数类型中呈正效应，但在落叶阔叶林中为负效应(-0.263)；太阳辐射主要呈负效应(-0.382至-0.017)；水分平衡的影响则因林型而异，混交林中为正效应(0.446)，而落叶阔叶林(-0.690)和常绿阔叶林(-0.239)中为负效应。
研究结果还揭示了地理因子的调控作用。纬度在多数森林类型中呈负效应，海拔始终为负效应，而经度主要呈正效应，反映了东西方向上的环境梯度对植被的影响。
研究表明，中国亚热带森林在2001-2017年间经历了广泛的绿化过程，这一趋势与中国的生态保护政策如退耕还林工程和天然林保护工程密切相关。然而，这种绿化趋势受到气候和人为因素复杂的交互作用调控。特别是人口密度作为最强负向驱动因子，表明人类活动在一定程度上抵消了气候变暖对植被生长的促进作用。
该研究的结论强调，虽然中国亚热带森林整体呈现绿化趋势，但人口密度的主导负向影响凸显了从以量为主的造林向质管并重管理的迫切需求。未来的保护策略需要针对特定森林类型制定，优先保护脆弱落叶生态系统免受气候变暖影响。最终，将社会经济约束与生物物理监测相结合，对于建设具有韧性的森林生态系统至关重要，这些生态系统能够在气候变化和人类活动的双重压力下维持碳汇功能。这些发现不仅对中国亚热带森林管理具有重要指导意义，也为全球类似生态系统应对环境变化提供了科学参考。
